周二磊，張　課，曹薇薇

(國網(wǎng)安徽省電力公司 淮北供電公司，安徽 淮北　235000)

光伏逆變器非線性分析與補(bǔ)償策略研究

周二磊，張課，曹薇薇

(國網(wǎng)安徽省電力公司 淮北供電公司，安徽 淮北235000)

摘要：光伏逆變器的非線性特性導(dǎo)致相電壓和相電流畸變，使得系統(tǒng)性能降低，在詳細(xì)分析非線性效應(yīng)的理論基礎(chǔ)上，提出了一種非線性補(bǔ)償策略。該補(bǔ)償策略在兩相靜止坐標(biāo)系下，根據(jù)電流空間矢量所在的不同扇區(qū)，將逆變器功率器件導(dǎo)通壓降帶來的電壓偏差前饋給指令電壓來進(jìn)行補(bǔ)償，保證了并網(wǎng)電壓空間矢量仍為圓形軌跡，提高了相電壓和相電流的正弦度。該補(bǔ)償策略簡單有效，能有效對(duì)非線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償，最后通過仿真結(jié)果表明，所提出的新型非線性補(bǔ)償策略能夠有效減小非線性誤差造成的電壓電流畸變現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)運(yùn)行性能。

關(guān)鍵詞：光伏逆變器；電流空間矢量；非線性補(bǔ)償

1電壓型光伏逆變器控制策略

光伏發(fā)電是太陽能利用的一種重要形式，逆變器作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能好壞直接影響太陽能利用效率的高低[1]，因此如何提高光伏并網(wǎng)變換器效率，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)都有著極其重要的意義。實(shí)際中光伏逆變器采用電壓型PWM逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]，如圖1所示，具有功率因數(shù)可控，能量可雙向流動(dòng)等特點(diǎn)，從而具有優(yōu)良的控制性能。光伏并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，為了最大限度地利用太陽能，要求對(duì)光伏陣列進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤[3]，因而并網(wǎng)逆變器必須具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。另外并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型呈非線性特性，逆變電源的輸出波形為存在一定失真的正弦波，一是為了防止并網(wǎng)逆變器功率器件上下橋臂直通，通常在功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)中加入死區(qū)時(shí)間，在保證了功率器件安全工作的同時(shí)，也帶來了并網(wǎng)電壓電流畸變、零電流箝位等死區(qū)效應(yīng)[4-5]；二是逆變器功率器件不是理想的開關(guān)器件，存在導(dǎo)通壓降影響了輸出相電壓、相電流的正弦度[6-7]。光伏發(fā)電系統(tǒng)中，負(fù)載多為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)有較高要求，所以需要對(duì)逆變器非線性特性進(jìn)行補(bǔ)償來提高逆變器的效率。常規(guī)的控制策略是采用近似線性化控制方法，這種方案雖然采用了線性控制理論進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，但是這樣的近似本身就給系統(tǒng)的控制帶來了不確定性。因此，本為研究了一種新型的非線性控制器來抵消并網(wǎng)逆變器帶來的非線性，仿真結(jié)果表明這種控制策略明顯降低相電壓、相電流的畸變，具有更好的動(dòng)態(tài)性能。

圖1　電壓型PWM逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2逆變器非線性分析

由于變換器的開關(guān)器件不是一個(gè)理想的開關(guān)器件，其管壓降對(duì)逆變器非線性輸出相電壓和相電流有較大的影響。圖2所示為EUPEC公司功率器件BSM50GB120DN2的特性曲線以及二極管的飽和壓降曲線[8-10]。線性化處理后如圖1中的虛線所示，即電力電子器件的導(dǎo)通壓降uce近似看成固定門檻電壓uth與其阻抗壓降的合成。

圖2　功率器件正向特性

圖2所示為功率器件的導(dǎo)通壓降對(duì)PWM逆變器的影響。電壓空間矢量第一扇區(qū)內(nèi)功率器件的開關(guān)狀態(tài)存在三種情況，即100-110-111三種開關(guān)狀態(tài)，規(guī)定電流方向由逆變器流入電網(wǎng)為正方向，并假設(shè)A相電流ia始終為正、B、C兩相電流ib、ic始終為負(fù)，根據(jù)逆變器的開關(guān)狀態(tài)，三相電流ia、ib、ic要么通過功率器件IGBT流通，要么通過反并聯(lián)二極管流通。圖3中(a)、(b)、(c)所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)分別為100-110-111三種開關(guān)狀態(tài)。由于一個(gè)扇區(qū)內(nèi)功率器件的開通時(shí)間最大僅為基波周期的1/6，因此三相電流的方向在一個(gè)扇區(qū)較大的時(shí)間范圍內(nèi)并未改變，即PWM開關(guān)狀態(tài)雖然改變，但功率器件導(dǎo)通壓降對(duì)輸出電壓的影響并沒有改變(本文考慮反并聯(lián)二極管與功率器件的導(dǎo)通壓降uce是相同的)。因此可知，逆變器導(dǎo)通壓降uce的影響便可由三相電流的方向決定。

圖3　功率器件導(dǎo)通壓降對(duì)PWM逆變器的影響

其余扇區(qū)同理分析，可得出一條結(jié)論：不同的開關(guān)狀態(tài)，功率器件導(dǎo)通壓降對(duì)PWM逆變器的影響只跟三相電流的流向有關(guān)，即只跟電流空間矢量is所在扇區(qū)有關(guān)。定義門檻電壓uth為導(dǎo)通壓降uce的一部分，由于門檻電壓在某一橋臂的影響也由該相電流方向決定，可以定義A相門檻電壓采用uth·sign(ia)表示。因此利用電壓空間矢量概念可以定義

uth=uthsign(ia)+authsign(ib)+a2uthsign(ic)

a=exp(j*2π/3)

(1)

式中uth——逆變器非線性帶來的門檻電壓空間矢量。

式(1)可簡化為

uth=2uthsec(is)

(2)

電流空間矢量i所在的扇區(qū)：

圖4所示為電流空間矢量is所在扇區(qū)位置，其中A、B、C為互差120°的三相靜止坐標(biāo)軸，αβ為兩相靜止坐標(biāo)軸，與電壓空間矢量類似，根據(jù)iα=0，iα=1.732iβ，iα=-1.732iβ三條直線，可以將電流空間矢量平面分為六個(gè)區(qū)域。設(shè)定：

(3)

則電流空間矢量is所在扇區(qū)由式(4)確定。

sec(is)=4X+2Y+Z

(4)

圖4　電流空間矢量所在扇區(qū)

圖5所示為逆變器功率器件的導(dǎo)通壓降對(duì)輸出電壓的影響。其中，us為觀測到的電壓空間矢量，由于功率器件導(dǎo)通壓降的影響，在扇區(qū)切換時(shí)us軌跡不連續(xù)并且發(fā)生畸變。存在如下關(guān)系

us=u*-uth-rdis

(5)

式中u*——給定的電壓空間矢量，呈圓形軌跡；rdis——阻抗壓降，rd——逆變器的等效通態(tài)電阻；其中uth為門檻電壓空間矢量，而uth為門檻電壓，根據(jù)式(2)可以看出|uth|=2uth，這里不同于三相平衡系統(tǒng)。

圖5　逆變器非線性模型的影響

圖5可見，逆變器非線性特性對(duì)并網(wǎng)電壓的正弦度影響較大，因此研究逆變器非線性模型對(duì)提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的精度有著實(shí)際意義。

3非線性補(bǔ)償

圖6　PWM逆變器非線性補(bǔ)償控制框圖

針對(duì)不同的扇區(qū)中電流空間矢量is對(duì)逆變器輸出電壓的影響，補(bǔ)償策略如下

sec1：

(6)

sec2：

(7)

sec3：

(8)

sec4：

(9)

sec5：

(10)

sec6：

(11)

4仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文采用Matlab/Simulink軟件對(duì)逆變器非線性進(jìn)行仿真研究，定量地分析了逆變器非線性對(duì)并網(wǎng)電壓的影響。為了更清晰地對(duì)比非線性補(bǔ)償?shù)男Ч?，仿真設(shè)置IGBT的門檻壓降為2.5V，二極管的門檻壓降也為2.5V，死時(shí)設(shè)置為零，負(fù)載設(shè)置為三相阻感負(fù)載。

圖7所示為逆變器非線性作用對(duì)并網(wǎng)電壓影響效果的仿真波形圖，圖(a)的給定頻率為工頻50Hz，功率器件的門檻電壓均為2.5V不變。仿真結(jié)果可以看出逆變器的非線性使得實(shí)際并網(wǎng)電壓與給定電壓存在誤差。

圖7　給定與實(shí)際電壓

圖8所示為償前后A相輸出電流及FFT的仿真波形圖，圖(a)、(b)分別為補(bǔ)償前、后的輸出電流波形。根據(jù)圖8的仿真結(jié)果可以看出，逆變器非線性對(duì)輸出電流會(huì)有一定的畸變，通過非線性補(bǔ)償后，輸出電流畸變率明顯降低、正弦度良好，電流波形得到明顯改善。

圖8　A相輸出電流及FFT波形

采用美國TI公司數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，逆變功率模塊采用EUPEC公司的BSM50GB120DLC模塊，電壓傳感器采用LEM公司的LV28-P。PWM逆變器開關(guān)頻率為5kHz，死區(qū)時(shí)間設(shè)置為5μs。圖9所示為逆變器非線性補(bǔ)償策略前后并網(wǎng)電壓實(shí)驗(yàn)波形。由圖9可見，采用所提非線性補(bǔ)償策略后，電壓畸變率降低，正弦度得到很大程度地提高，有效削弱了逆變器非線性特性帶來的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證補(bǔ)償策略的正確性和有效性。

圖9　并網(wǎng)電壓波形

5結(jié)語

針對(duì)光伏逆變器非線性特性影響系統(tǒng)性能，研究了一種非線性補(bǔ)償策略，該策略利用電流空間矢量所在扇區(qū)補(bǔ)償逆變器非線性帶來的電壓偏差，使得逆變器并網(wǎng)電壓呈圓形軌跡，同時(shí)提高了輸出電流的正弦度。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性和補(bǔ)償措施的有效性。

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(本文編輯：趙艷粉)

Nonlinearity Analysis and Compensation Strategy of Photovoltaic Inverter

ZHOU Er-lei, ZHANG Ke, CAO Wei-wei

(HuaibeiPowerSupplyCompany,Huaibei235000,China)

Abstract:The nonlinearity of photovoltaic inverter often causes distortion of phase voltage and phase current, consequently affecting the system performance; therefore, this paper puts forward a nonlinear compensation strategy based on detailed analysis of nonlinear effect theory. This compensation strategy uses the current space vector sector under the two-phase static coordinate system to compensate the voltage deviation caused by nonlinear, and feed forward to the command voltages, which ensures the grid voltage space vector is still in circular trajectory and improves the sine degree of the phase current and the phase voltage. This simple and effective compensation strategy can effectively compensate for nonlinear error. Finally, the simulation results show that this new nonlinear compensation strategy can effectively reduce the voltage and current distortion caused by nonlinear error, and can improve the system performance.

Key words:photovoltaic inverter；current space vector；nonlinear compensation

DOI：10.11973/dlyny201601016

作者簡介：周二磊(1987)，男，工程師，研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)技術(shù)以及電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制。

中圖分類號(hào)：TM301.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：2095-1256(2016)01-0075-05

收稿日期：2015-09-15